De combinatie van elektrochemie en stromingstechnologie belooft veel voor de duurzame productie van waardevolle chemicaliën, zoals biobased grondstoffen. Onderzoeker Yiran Cao heeft elektrochemische organische synthese in stroming, en vooral doorstroommicroreactoren, een nieuw en opwindend veld dat verschillende uitdagingen biedt. Cao verdedigde zijn Ph.D. scriptie op dinsdag 7 september.

Elektrochemie houdt zich bezig met de relatie tussen elektrische en chemische processen. Deze verschijnselen vinden altijd plaats op het grensvlak tussen twee geleiders, een elektrolyt en een elektrode.

Het heeft verschillende voordelen ten opzichte van normale chemische reacties, omdat het je in staat stelt om chemie uit te voeren met spoorloze elektronen als reagentia. Dit betekent minder gebruik van gevaarlijke chemicaliën. Het geeft u ook de mogelijkheid om gebruik te maken van groene stroom afkomstig van duurzame energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. Het is ook zeer afstembaar en schaalbaar, waardoor het mogelijk is om op een veilige en duurzame manier waardevolle chemicaliën te produceren.

De belofte van flow

In combinatie met stromingstechnologie (die zich bezighoudt met de dynamiek van vloeistoffen), elektrochemie biedt nog meer controle over de reactieomstandigheden. De implementatie van elektrochemische reacties in stroming, echter, is veel gecompliceerder dan alleen het reactiemengsel in een elektrolysecel te pompen.

"Het begrijpen van de technische principes achter de waarnemingen kan helpen om het volledige potentieel van de technologie te benutten, ', zegt Yiran Cao.

In zijn proefschrift, de in China geboren onderzoeker heeft elektrochemische organische synthese in stroming onderzocht, met een focus op zogenaamde continuous-flow microreactoren, die kunnen worden gebruikt om biobased grondstoffen om te zetten.

Zijn onderzoek omvatte verschillende fasen, van het ontwerp en de verificatie van een elektrochemische microstroomreactor, de elektrochemische omzetting van furfural (een typische biobased chemicalie) in waardevolle chemicaliën in flow, tot de transformatie en versnelling van een gas-vloeistof bifasische elektrochemische reacties in een microstroomreactor, en de numerieke analyse van vloeistof-vloeistof Taylor-stroomregime.

Startpunt

"Het was mijn doel om organische chemie en chemische technologie te combineren, die hopelijk zal dienen als een nuttige referentie en startpunt voor andere onderzoekers die hun elektrochemie willen vertalen naar stroming, ", zegt de onderzoeker.

"Hoewel er de afgelopen tien jaar aanzienlijke vooruitgang is geboekt, vooruitgaan is niet zonder uitdaging. De gemeenschap zou zich meer moeten richten op voorbeelden die beslissende voordelen bieden, zoals meerfasige elektrochemie. Dit is tot op heden grotendeels ondervertegenwoordigd."

Een van de uitdagingen die Cao in zijn onderzoek tegenkwam, was het dichtslibben van de kanalen, die, volgens hem, blijft de achilleshiel van de microreactortechnologie. Het oplossen van deze problemen vereist ongetwijfeld samenwerking tussen chemische ingenieurs en chemici uit zowel de academische wereld als de industrie, hij gelooft.

"Ik ben ervan overtuigd dat vooruitgang op deze aspecten het nut van stroomreactortechnologie zal vergroten en de grenzen van synthetische organische elektrochemie zal verleggen."